摘 要：本文概要論述了燃?xì)馐秸婵諣t技術(shù)的發(fā)展概況，重點(diǎn)闡述了燃?xì)馐秸婵諣t的主要爐型、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，以及蓄熱式輻射管燃?xì)庹婵諣t技術(shù)的特點(diǎn)、HTAC燒嘴結(jié)構(gòu)、爐內(nèi)溫度分布、熱平衡計(jì)算和NOX特性等。同時(shí)簡(jiǎn)介了電爐和燃?xì)庹婵諣t的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益比較，并對(duì)我國高溫空氣燃燒技術(shù)天然氣燃?xì)鉄崽幚砑夹g(shù)設(shè)備的研究開發(fā)和推廣應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：燃?xì)馐秸婵諣t，蓄熱式輻射管，高溫空氣燃燒技術(shù)，天然氣

1 概述

70年代的石油危機(jī)使西方國家的經(jīng)濟(jì)受到很大打擊。自此，歐洲、美國和日本都十分重視熱處理能源的有效利用和提高熱效率。由于電是二次能源，一般燃料的發(fā)電效率為～36%，電能的熱效率一般為80%左右，因而燃料電熱熱效率為<29%左右。美國在1997年熱處理工業(yè)研究項(xiàng)目中列出了爐子熱源的多樣性，燃燒器結(jié)構(gòu)改進(jìn)和富氧燃燒技術(shù)開發(fā)等項(xiàng)目。在1999年技術(shù)發(fā)展計(jì)劃中，提出了改善熱源材料，發(fā)展陶瓷輻射管技術(shù)，改善熱源形態(tài)，改進(jìn)熱源對(duì)流等技術(shù)，以提高一次燃料的熱效率和技術(shù)水平。歐洲、日本也在這一領(lǐng)域推進(jìn)合理利用能源，開發(fā)推廣低燃料消耗高熱效率的工業(yè)爐技術(shù)。燃?xì)庹婵諣t設(shè)備和技術(shù)的研制、開發(fā)與推廣，正是歐洲和美國這一技術(shù)政策和工業(yè)需求的產(chǎn)物[1-5]。和通常電加熱的真空爐相比，燃?xì)庹婵諣t具有下述優(yōu)點(diǎn)[1]：1、較高的生產(chǎn)率，高的熱效率；2、較低的運(yùn)行成本；3、減少維護(hù)保養(yǎng)；4、具有電加熱真空爐的全部?jī)?yōu)點(diǎn)。

美國科研人員S.J.Sikica 等人于1992年推出了他們研制開發(fā)的燃?xì)庹婵諣t，其中包括675°C燃?xì)庹婵諣t（臥式）和中溫955°C燃?xì)庹婵諣t。同時(shí)研制生產(chǎn)了立式裝載高溫（1010°C）真空淬火爐。對(duì)于工作溫度1200°C和更高溫度的燃?xì)庹婵諣t，該集團(tuán)亦在研制開發(fā)中[2]。

美國氣體研究所和Abar Ipsen Co. 的科研人員和工程師R.K. Clark等人研制開發(fā)了燃?xì)怆x子滲氮爐[3]。工作溫度（315～540）°C， 溫度均勻性DTmax£4°C，有效加熱區(qū)尺寸（L´W´H）為915mm*610mm*455mm，工作負(fù)載545kg。圖1為燃?xì)怆x子滲氮爐簡(jiǎn)圖[3]。

圖1 燃?xì)庹婵针x子滲氮爐簡(jiǎn)圖

德國Ipsen公司的S.B. Gupta 論述了燃?xì)庹婵諣t研制開發(fā)技術(shù)，同時(shí)介紹了幾種燃?xì)庹婵諣t設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和近年研制設(shè)計(jì)的新模式[4]。

燃?xì)庹婵諣t采用天然氣作為能源，熱效率可達(dá)65%，較電能真空爐熱效率提高1倍以上。圖2為電能和天然氣單位能量成本的比較。

圖2 電能和天然氣的單位能量成本比較

如前所述，由于燃?xì)庹婵諣t高生產(chǎn)率，高熱效率，低生產(chǎn)成本的突出優(yōu)點(diǎn)，使得這項(xiàng)技術(shù)自1986年問世以來，發(fā)展很快，表1列出了主要燃?xì)庹婵諣t制造廠家近年的生產(chǎn)數(shù)量一覽表：

表1 燃?xì)庹婵諣t生產(chǎn)需求計(jì)劃

2 主要爐型、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

圖3為立式燃?xì)庹婵諣t的結(jié)構(gòu)示意圖，它是90年代初期的產(chǎn)品。

圖3 Hemsath立式1010°C整體淬火燃?xì)庹婵諣t設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

表2列出了Hemsath公司研制生產(chǎn)的2V型燃?xì)庹婵諣t的主要技術(shù)參數(shù)，Indugas&GRI集團(tuán)和Ipsen公司對(duì)此類產(chǎn)品作了進(jìn)一步開發(fā)并生產(chǎn)出名牌產(chǎn)品[4]。

表2 Hemsath’s 2V型燃?xì)庹婵諣t技術(shù)參數(shù)

近年來，燃?xì)庹婵諣t研制技術(shù)日新月異，新型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和新產(chǎn)品的相繼問世。圖4、圖5為最近研制和生產(chǎn)的新型燃?xì)庹婵諣t的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖[5]。

圖4 Hemsath新型燃?xì)庹婵諣t設(shè)計(jì)示意圖

圖5 燃?xì)庹婵栈鼗馉t

3 蓄熱式輻射管（HTACRT）燃?xì)庹婵諣t技術(shù)

高溫空氣燃燒技術(shù)（HTACT）是國際90年代迅速發(fā)展的高效、節(jié)能、環(huán)保型先進(jìn)燃燒技術(shù)。與傳統(tǒng)燃燒技術(shù)相比，高溫空氣燃燒技術(shù)通過蓄熱式煙氣余熱回收，可使空氣預(yù)熱溫度達(dá)煙氣溫度的95%，爐溫均勻性5°C，其燃燒熱效率可高達(dá)80%以上[6]。高溫空氣燃燒技術(shù)通過HTAC燒嘴及回收裝置節(jié)能60%以上；因而可降低CO2排放60%以上，同時(shí)高溫空氣燃燒技術(shù)實(shí)現(xiàn)貧氧區(qū)域燃燒，使NOx排放大大降低，可達(dá)40´10-6數(shù)量級(jí)（40-50）mg/m3，為傳統(tǒng)燃燒技術(shù)的1／15－1／20。此外高溫室氣燃燒技術(shù)燃燒噪音低，減輕了噪音污染。高溫空氣燃燒技術(shù)已開發(fā)出幾種高溫空氣燃燒器（蓄熱式燒嘴加熱系統(tǒng)），日本、美國、歐洲均已用于生產(chǎn)，該技術(shù)開發(fā)應(yīng)用已臻成熟，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。我國近幾年在該技術(shù)領(lǐng)域已開發(fā)出數(shù)種蓄熱式燒嘴及燃燒裝置系統(tǒng)，并且成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益巨大，環(huán)保性能優(yōu)越[6,8]。

3.1 燃?xì)馐秸婵諣t的特點(diǎn)

（1）和電熱式真空爐一樣可以進(jìn)行退火、淬火、回火等熱處理。
（2）由于采用輻射管燒嘴，與電熱式相比，燃料費(fèi)用可節(jié)減2/3。
（3）CO2的排放量與電熱式相比可減少40％。
（4）蓄熱式輻射管燒嘴經(jīng)過改進(jìn)以及輻射管法蘭的水冷化從而實(shí)現(xiàn)了大型輻射管法蘭的真空密封。

燃?xì)馐秸婵漳Ｐ蜖t構(gòu)造原理如圖6所示[7]。

圖6 真空模型爐原理圖

燃?xì)馐秸婵漳Ｐ蜖t的規(guī)格如下：

爐內(nèi)溫度 常用1050℃
達(dá)到的真空度 0.7Pa （絕對(duì)壓）
爐內(nèi)有效尺寸力 600mm´600mm´900mm
最大處理量工科 400kg／爐
爐體構(gòu)造 水冷雙重壁構(gòu)造
附屬裝置 皮拉尼真空計(jì)，油旋轉(zhuǎn)泵，機(jī)械增壓真空泵
產(chǎn)品冷卻裝置 N2洗凈，壓力140kPa
燒 嘴 101.6mm蓄熱式輻射管燒嘴41kW／2套
輻射管 101.6mm W型x 2套

3.2 HTAC燒嘴

101.6mm W型蓄熱式輻射管燒嘴在工作區(qū)左右兩側(cè)安裝2套（4根），通過1臺(tái)切換閥按30s的周期交互進(jìn)行燃燒。輻射管法蘭與爐體的真空密封采用合成橡膠制0型環(huán)。把蓄熱體置入輻射管內(nèi)（見圖7），從而控制了流向輻射管排氣所產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)。另外，燒嘴本體露出部分也實(shí)現(xiàn)了小型化。

圖7 蓄熱式輻射管燒嘴構(gòu)造斷面圖

3.3 爐內(nèi)溫度分布

輻射管加熱和電加熱其發(fā)熱體的外徑是不同的，本爐的燒嘴配置是否適當(dāng)要進(jìn)行確認(rèn)。該爐輻射管、隔熱壁與有效加熱部分的位置關(guān)系如圖8所示。圖9表示溫度分布測(cè)定結(jié)果。測(cè)溫點(diǎn)共9處，即有效加熱尺寸的8個(gè)頂點(diǎn)+中心。實(shí)驗(yàn)條件如下，燒嘴的燃燒量：41kW´2套，爐溫：950°C和1050°C。

圖8 加熱部構(gòu)造原理

圖9 爐內(nèi)溫度分布

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蓄熱式輻射管燒嘴由于采取交互燃燒方式，輻射管表面溫度分布均勻，爐內(nèi)有效加熱部分的溫度分布范圍可以控制在6°C之內(nèi)，這說明，采用真空爐加熱能夠獲得均勻的加熱效果。

為了探討輻射管與被加熱物的距離（圖8為90mm。）是否適當(dāng)，把二者距離作為參數(shù)測(cè)定了有效距離的溫度差。圖8所示的是設(shè)計(jì)值，當(dāng)有效加熱尺寸為600WX600HX900D時(shí)，輻射管與被加熱物的距離設(shè)定為90mm，當(dāng)有效力加熱尺寸為650W´650H（深度不變）時(shí)，二者距離為65mm，當(dāng)有效加熱尺寸為550W´550H（深度不變）時(shí)，二者距離為115mm。這時(shí)測(cè)得的爐內(nèi)溫度差如圖10所示。

圖10 輻射管與加熱物相隔距離和溫差

從測(cè)取結(jié)果可以看出，如果縮小二者的距離，爐內(nèi)溫度分布范圍呈擴(kuò)大趨勢(shì)，如果距離＜90mm，即使縮小到65mm，在爐溫為1050℃的條件下，溫度分布范圍也在6℃之內(nèi)。根據(jù)該試驗(yàn)結(jié)果就可以確定輻射管與被加熱物的適當(dāng)距離。

3.4 熱平衡

下圖給出燒嘴安裝能量為41kW´2套，爐溫為1050℃時(shí)爐體熱平衡的測(cè)定結(jié)果。由該測(cè)定結(jié)果可以看出，當(dāng)爐溫保持1050℃時(shí)，雖只有部分負(fù)荷燃燒，但與900°C時(shí)所用滲碳爐的燒嘴一樣，可獲得85%的高燃燒率。

　　　　　　　　　燒嘴排氣損失：5.8kW（15%）
燃燒量　　　　　　冷卻水損失： 27.8kW（71.4%
38.9 kW（100％） 其 它： 5.3kW（13.6%）
　　　　　　　　　配管放熱、爐體放熱等

3.5 NOX特性

蓄熱式輻射管燒嘴所用燃燒空氣屬高溫預(yù)熱空氣，特別是高溫區(qū)，控制 NOx的排放量是重要課題。在本爐中，除對(duì)燒嘴本體構(gòu)造進(jìn)行一些相應(yīng)改進(jìn)外，將部分排氣導(dǎo)入燃燒空氣中，形成外部排氣再循環(huán)（EGR），從而降低了NOX的發(fā)生量。當(dāng)爐溫為1050°C，燒嘴燃燒量分別為35kW/個(gè)和41kW/個(gè)的條件下，把排氣再循環(huán)率（EGR率）作為參數(shù)的NOx測(cè)定結(jié)果如圖11 示。爐溫 900℃時(shí)，即使不進(jìn)行排氣再循環(huán)，NOx（02＝11%）排放量為 155´10-6。但爐溫達(dá)到1050℃，如果不進(jìn)行排氣再循環(huán)且燃燒量為41kW/燒嘴，其NOX排放量可達(dá)到280´10-6。根據(jù)該結(jié)果可以算出，要想使NOx低于180´10-6，必須使再循環(huán)率達(dá)到15％。

圖11 NOX排放特性（爐溫 1050°C）

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益比較

根據(jù)燒嘴的熱效率、升溫?zé)崃亢蜖t溫保持熱量的測(cè)定值計(jì)算出該爐加熱所需要的能量，再與電熱式運(yùn)轉(zhuǎn)成本進(jìn)行比較。蓄熱式燒嘴單耗燃?xì)?7.5m3／爐，電熱式單耗電力 167kW／h爐，這樣按不同地區(qū)的能源價(jià)格很容易計(jì)算出各自的運(yùn)轉(zhuǎn)成本。經(jīng)計(jì)算，蓄熱式燒嘴的能耗僅為電熱式爐的38％。計(jì)算條件如下：

① 爐溫：1050°C；
② 燒嘴熱效率：85%；
③ 加熱效率：100％；
④ 爐加熱能力：70kW（燒嘴燃燒量41kW´2）；
⑤ 保持熱量：33kW（燒嘴燃燒量39KW）；
⑥ 升溫時(shí)間：105min，保持時(shí)間：90min；
⑦ 出爐數(shù)：150爐／月；
⑧ 時(shí)間計(jì)算：I年（18m爐）。

5 我國蓄熱式輻射管（HTACTRT）燃?xì)庹婵諣t研制開發(fā)

5.1燃天然氣和電加熱比較

天然氣存在形式有三種，氣層氣（氣田氣）、伴生氣（油田氣）和凝析氣。其低熱值分別為：

氣層氣（34500－36000） KJ/m3
伴生氣（41500－43900） KJ/m3
M析氣（ 46100－ 48500） KJ/m3

計(jì)算中采用三者的平均值，IM3天然氣平均低熱值Q均＝41750KJ

Ikwh電能熱值 Q電=860kcal=360lKJ

采用高溫室氣燃燒技術(shù)，天然氣燃燒熱效率 N天=8 0％，N電取80％。

Lm3天然氣實(shí)際發(fā)熱量和電能熱量之比為：

a=41750KJ x 80％／ 3601KJ X 80％＝11.594
Lm3天然氣以1.80元計(jì)，Ikwh電以 0.5元計(jì)。

則價(jià)格比為 1.80元（天然氣）／11.594 X 0.5元（電）
1元（天然氣）／3.22元（電）

也就是說，產(chǎn)生同樣的熱量，天然氣的價(jià)格是電能價(jià)格的31．05％。

5.2 蓄熱式輻射管（HTAC）真空爐結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)參數(shù)

蓄熱式輻射管（HTAC）燃?xì)庹婵諣t主要技術(shù)參數(shù)如下：

天然氣低熱值 41750kJ／m3
燃?xì)廨椛涔艹叽?1100mm x 900mm
輻射管直徑 F120mm
輻射管燒嘴燃燒量 41kW´2套
射管加熱溫度 800°C～1050°C
有效加熱區(qū)尺寸 600mm´450mm´900mm
爐溫均勻性 ≤±6°C

圖12 蓄熱式輻射管（HTAC）燃?xì)庹婵諣t結(jié)構(gòu)圖

5.3 蓄熱式輻射管（HTAC）燃?xì)庹婵諣t與電爐綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能比較

蓄熱式輻射管（HTAC）燃?xì)庹婵諣t與電爐綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能比較見表3所示。

表3 蓄熱式輻射管（HTAC）燃?xì)庹婵諣t與電爐綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能

6 小結(jié)

燃?xì)馐秸婵諣t是歐美國家在8 0年代后期在石油危機(jī)沖擊下和高溫空氣燃燒技術(shù)（HTACT）推動(dòng)下研制開發(fā)的一種高效（熱效率可達(dá)80%）、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能（60%以上）節(jié)材和環(huán)保（ NOx、CO2和噪音大大降低）型的新型熱處理設(shè)備，由于技術(shù)上的先進(jìn)性和節(jié)能節(jié)材的巨大潛力其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著，同時(shí)該技術(shù)具有優(yōu)異的環(huán)保特點(diǎn)，符合綠色熱處理和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，因而具有廣闊的發(fā)展前景。

我國“十五”期間大力開發(fā)天然氣能源，我國天然氣能源將從 1999年的 238億m3增加到645億m3左右。隨著西部大開發(fā)和西氣東輸工程的實(shí)施，上海地區(qū) 2003年后大量采用天然氣能源將可實(shí)現(xiàn)。采用清潔、高熱值的天然氣能源和高溫空氣燃燒技術(shù)研制開發(fā)熱處理設(shè)備和技術(shù)，是全國熱處理科技工作者的一項(xiàng)緊迫的研究開發(fā)和推廣應(yīng)用課題。燃?xì)馐秸婵諣t技術(shù)研究開發(fā)及應(yīng)用概況介紹，只是這一研究開發(fā)工程的一部分。人們逐漸認(rèn)識(shí)到，研究開發(fā)高溫室氣燃燒技術(shù)天然氣燃?xì)?/font>熱處理技術(shù)設(shè)備勢(shì)在必行，其節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益潛力巨大，具有十分廣闊的發(fā)展空間。